CN116605398B - 零碳排放的船舶sofc/gt/sco2混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了零碳排放的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，包括空气分离制氧子系统、SOFC/GT混合动力子系统，SCO₂循环子系统和碳捕集子系统，其中空气分离制氧子系统结合膜分离与低温蒸馏两种空气分离工艺，同时充分利用了LNG和空分产物的冷量对低温蒸馏原料气进行液化；SOFC/GT混合动力子系统采用阴极再循环实现SOFC控温运行，并利用阴极再循环气体驱动第一SCO₂循环子系统，利用尾气余热驱动第二SCO₂循环子系统；此外还将重整室与后燃室结合，同时实现了后燃室控温与重整室高效反应；采用低温碳捕集逐级液化分离出水和高纯度CO₂。本发明系统能效高，同时实现系统零碳排放。

Description

零碳排放的船舶SOFC/GT/SCO2混合动力系统

技术领域

本发明涉及能源动力设备，具体涉及零碳排放的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统。

背景技术

LNG动力船凭借其高效减排的优势逐渐成为绿色航运的主流船舶，随着排放法规的日趋严格和人们对“零碳”船舶的殷切追求，如何进一步增效减排已成为研究热点。目前，LNG动力船多采用双燃料发动机，尚无法真正实现零碳排放。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将氢气等燃料的化学能直接转换成电能的装置，可与燃气轮机、朗肯循环等组合，提高系统的能量利用效率。尽管将SOFC与其他动力系统结合能够获得远超传统内燃机的效率，但天然气本身含碳，因此要实现零碳排放，需要在动力装置后添加额外的碳捕集装置。

CN116006361A公开的使用SOFC的LNG动力船碳减排系统和方法，在LNG燃料供应系统的基础上，利用SOFC燃料电池阴极反应气体和阳极反应气体相互隔离的特点，排除不参与反应的氮气，集中处理生成的碳氧化物，大幅降低了分离、收集、液化CO₂的能耗。但是，该碳减排系统中，无论是LNG冷能，还是SOFC尾气热能均未能得到充分利用，系统能效较低；此外，其仅能对部分CO₂进行液化，无法实现零碳排放。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能效高，能够实现零碳排放的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统。

技术方案：本发明所述的零碳排放的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，包括：

空气分离制氧子系统，用于以LNG与空分产物作为冷源进行低温空气分离，空分产物包括高纯度液氧和氮气；

SOFC/GT混合动力子系统，包括SOFC和第二涡轮，SOFC阳极送入LNG气体，SOFC阴极送入富氧气体，SOFC阳极出口气体送入后燃室，阴极出口气体一部分送入后燃室，另一部分作为阴极再循环气体；后燃室内燃烧后的高温高压气体在第二涡轮做功后形成SOFC尾气，SOFC尾气用于加热送入SOFC阳极的LNG气体；

碳捕集子系统，设置在SOFC尾气通路末端，用于分离SOFC尾气中的H₂O，并进一步利用LNG与空分产物的冷量，使尾气中的CO₂液化，高纯度液氧和LNG经碳捕集子系统后，分别形成供给SOFC的富氧气体和LNG气体；以及，

第一SCO₂循环子系统，由阴极再循环气体驱动，排出第一SCO₂循环子系统的阴极再循环气体与送入SOFC阴极的富氧气体混合。

进一步地，SOFC/GT混合动力子系统还包括水泵、第八换热器、第四压缩机，以及依次相连的第二压缩机、第三换热器、第四换热器、第五换热器和重整室；经碳捕集子系统后形成的LNG气体经第二压缩机压缩后，通过第三换热器加热，然后与水泵加压、第八换热器加热气化形成的水蒸气混合，混合气体依次在第四换热器和第五换热器被加热后送入重整室，生成富氢重整气；富氢重整气送入第四换热器作为热源，而后送入SOFC阳极；SOFC尾气作为热源依次通过第五换热器、第三换热器和第八换热器；经碳捕集子系统后形成的富氧气体经第四压缩机压缩后，与排出第一SCO₂循环子系统的阴极再循环气体混合，送入SOFC阴极。

进一步地，重整室设置于后燃室内部，由后燃室供给重整室运行所需的热量。

本技术方案将后燃室与重整室结合，利用重整室内部高度吸热的甲烷水蒸气重整反应，降低后燃室在富氧燃烧时的运行温度，同时实现了控制后燃室温度与提高重整室氢气转化效率。

进一步地，上述的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统还包括第二SCO₂循环子系统，设置在碳捕集子系统前，由SOFC尾气驱动。

进一步地，第二SCO₂循环子系统包括第三涡轮、第六换热器、第一冷却器、第三压缩机和第七换热器；SOFC尾气依次通过第三换热器、第七换热器和第八换热器；SOFC尾气在第七换热器加热循环工质，而后循环工质在第三涡轮膨胀做功，膨胀完的循环工质通过第六换热器降温，并在第一冷却器进一步降温；进一步降温后的循环工质在第三压缩机被压缩，并通过第六换热器升温，而后回到第七换热器完成一个循环。

进一步地，空气分离制氧子系统包括第一涡轮、第二精馏塔，以及依次相连的空气分离膜、真空泵、第一压缩机、第一换热器、泵作透平和第一精馏塔；空气经空气分离膜提纯为富氧空气，真空泵用于提供气体扩散驱动力，随后被第一压缩机压缩，并在第一换热器冷却液化，通过泵作透平降压后进入第一精馏塔初步精馏，分离出的高纯度氮气用于在第一涡轮做功，分离出的富氧液体导入第二精馏塔进一步精馏；从第二精馏塔分离出的高纯度氮气与做功后的高纯度氮气汇合，从第二精馏塔分离出的高纯度液氧、汇合的高纯度氮气以及LNG用作第一换热器冷源液化富氧空气。

空气分离制氧子系统结合了膜分离与低温蒸馏两种空气分离工艺，同时充分利用了LNG、空分产物的冷量对低温蒸馏原料气进行液化。

进一步地，第一SCO₂循环子系统包括第九换热器、第四涡轮、第十换热器、第二冷却器和第五压缩机；阴极再循环气体在第九换热器加热循环工质，而后循环工质在第四涡轮膨胀做功；膨胀完的循环工质通过第十换热器降温，并在第二冷却器进一步地降温；进一步降温后的循环工质在第五压缩机被压缩，并通过第十换热器升温，而后回到第九换热器完成一个循环。

进一步地，碳捕集子系统包括第二换热器、第三冷却器、水汽分离塔和第六压缩机；SOFC尾气经第三冷却器冷却后，在水汽分离塔分离出H₂O和未冷凝气体，未冷凝气体经第六压缩机压缩后，通入第二换热器冷凝成高纯液体CO₂；第二换热器冷源为空气分离制氧子系统排出的LNG与空分产物。

进一步地，冷却器采用海水作为冷源。

进一步地，SCO₂循环子系统和碳捕集子系统中的压缩机采用多级压缩级间冷却工艺。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

(1)同时利用LNG与空分产物的冷能，降低了空分的能耗；

(2)采用SCO₂循环子系统取代常见的水蒸气动力循环回收尾气与阴极循环气体热量，减小了设备的体积，提高了循环的效率；第一SCO₂循环子系统SOFC采用阴极再循环工艺，实现了在较低阴极进口气体流量的情况下，SOFC运行温度的控制，同时将阴极高温气体用于驱动第一SCO₂循环子系统，从而同时实现了SOFC控温与系统能源有效利用；

(3)采用空气分离富氧燃烧技术，大大降低了尾气中氮气的含量；采用低温碳捕集方法，逐级液化分离出水和高纯度CO₂，实现了LNG与空分产物冷能的梯级利用，同时实现了系统的零碳排放。

本发明中，无论是LNG冷能，还是SOFC尾气余热均得到了有效利用，系统能效高；同时，能够实现系统零碳排放；本发明为LNG动力船高效零碳发展提供了一种切实可行的解决方案。

附图说明

图1是本申请实施例提供的零碳排放的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示为本申请实施例提供的零碳排放的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统的结构示意图，该船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统包括如下的部件：

1，空气分离膜；2，真空泵；3，第一压缩机；4，第一换热器；5，第二换热器；6，泵作透平；7，第一精馏塔；8，第一涡轮；9，第二精馏塔；10，第一混合器；11，第二压缩机；12，第三换热器；13，第二混合器；14，第四换热器；15，第五换热器；16，重整室；17，SOFC；18，分离器；19，后燃室；20，第二涡轮；21，第三涡轮；22，第六换热器；23，第一冷却器；24，第三压缩机；25，第七换热器；26，水泵；27，第八换热器；28，第四压缩机；29，第三混合器；30，第九换热器；31，第四涡轮；32，第十换热器；33，第二冷却器；34，第五压缩机；35，第三冷却器；36，水汽分离塔；37，第六压缩机。

以下具体介绍该船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统的结构及工作原理。

本申请实施例提供的零碳排放的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，包括空气分离制氧子系统、SOFC/GT混合动力子系统、SCO₂循环子系统和碳捕集子系统，其中SCO₂循环子系统包括第一SCO₂循环子系统和第二SCO₂循环子系统。

空气分离制氧子系统包括空气分离膜1、真空泵2、第一压缩机3、第一换热器4、泵作透平6、第一精馏塔7、第一涡轮8、第二精馏塔9和第一混合器10。

空气分离膜1、真空泵2、第一压缩机3、第一换热器4、泵作透平6和第一精馏塔7依次相连，第一精馏塔7顶端与第一涡轮8相连，底端与第二精馏塔9相连，第二精馏塔底端9与第一换热器4相连。第一混合器10前端分别与第一涡轮8出口和第二精馏塔9顶部相连，后端与第一换热器4相连。

SOFC/GT混合动力子系统包括第二压缩机11、第三换热器12、第二混合器13、第四换热器14、第五换热器15、重整室16、SOFC17、分离器18、后燃室19、第二涡轮20、水泵26、第八换热器27、第四压缩机28和第三混合器29。

第二压缩机11与第三换热器12相连，水泵26与第八换热器27相连，第二混合器13前端分别与第三换热器12和第八换热器27相连。第二混合器13后端与第四换热器14相连，第四换热器14、第五换热器15和重整室16依次相连。重整室16出口与第四换热器14上端进口相连，SOFC17阳极进口与第四换热器14下端出口相连。SOFC17阴极进口与第三混合器29后端相连。SOFC17阳极出口与后燃室19进口相连，SOFC17阴极出口与分离器18相连，分离器18将阴极出口气体分离为两股，一股通入后燃室19，另一股作为阴极再循环气体。后燃室19出口与第二涡轮20连接，第二涡轮20出口与第五换热器15上端进口相连，第五换热器15下端出口与第三换热器12上端进口相连。

第一SCO₂循环子系统包括第九换热器30、第四涡轮31、第十换热器32、第二冷却器33和第五压缩机34，第九换热器30布置于第三混合器29与分离器18之间，阴极再循环气体通入第九换热器30右端进口，第三混合器29前端分别连接第四压缩机28出口与第九换热器30左端出口。第四涡轮31布置于第九换热器30与第十换热器32之间。第二冷却器33进口与第十换热器32相连，第五压缩机34进口与第二冷却器33出口相连，第五压缩机34出口与第十换热器32相连。

第二SCO₂循环子系统包括第三涡轮21、第六换热器22、第一冷却器23、第三压缩机24和第七换热器25，第三换热器12、第七换热器25和第八换热器27依次相连。第三涡轮21布置于第七换热器25与第六换热器22之间。第一冷却器23进口与第六换热器22相连。第三压缩机24进口与第一冷却器23出口相连，第三压缩机24出口与第六换热器22相连。

碳捕集子系统包括第二换热器5、第三冷却器35、水汽分离塔36和第六压缩机37，第八换热器27、第三冷却器35、水汽分离塔36、第六压缩机37和第二换热器5依次相连。第二换热器5、第二压缩机11和第三换热器12依次相连。

本实施例中，重整室16置于后燃室19内部，由后燃室19供给重整室16运行所需热量。

第三压缩机24和第五压缩机34采用多级压缩级间冷却工艺，以降低压缩机能耗，提高循环发电效率。第六压缩机37采用多级压缩级间冷却工艺，降低了碳捕集的能耗。

第一冷却器23、第二冷却器33和第三冷却器35采用海水作为冷源，海水温度为20℃。

第六换热器22和第十换热器32为回热器，可回收涡轮出口高温气体余热，减少相应的冷却器端的能量流失，提高循环发电效率。

以下具体介绍本申请实施例提供的零碳排放的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统的工作原理。

(一)空气分离制氧子系统

空气分离制氧子系统结合了膜分离与低温蒸馏两种空气分离工艺，利用LNG和空分产物的冷量液化气体。

具体地，空气通过空气分离膜1提纯至含有40.81％的富氧空气，真空泵2用于提供气体扩散驱动力，随后富氧空气通过第一压缩机3压缩，并通过第一换热器4冷却液化，而后通过泵作透平6降压，再进入第一精馏塔7初步精馏，从第一精馏塔7顶端分离出高纯度氮气，从第一精馏塔7底端分离出富氧液体。富氧液体导入第二精馏塔9进一步精馏，从第二精馏塔9顶部导出高纯度氮气，该高纯度氮气与经过第一涡轮8做功的第一精馏塔7顶部的高纯度氮气在第一混合器10汇合，从第二精馏塔9底端导出的是高纯度液氧。LNG、高纯度液氧以及汇合的高纯度氮气分别通入第一换热器4用以液化富氧空气。

(二)SOFC/GT混合动力子系统

经第二换热器5气化后的LNG通过第二压缩机11压缩至一定压力，通过第三换热器12加热，并与通过水泵26加压、第八换热器27加热气化后的水蒸气在第二混合器13混合，混合气体依次通过第四换热器14与第五换热器15加热后，送至重整室16，重整室16运行的热量由后燃室19提供，重整室16出口富氢重整气通过第四换热器14降温后，通入SOFC17阳极。

经第二换热器5气化并通过第四压缩机28压缩后的富氧气体与第九换热器30左端出口的阴极再循环气体于第三混合器29混合后通入SOFC17阴极，富氢重整气与富氧气体在SOFC17内反应产生电能，SOFC17阳极反应后的气体直接通入后燃室19燃烧，SOFC17阴极出口的气体被分离器18分成两股，一股通入后燃室19参与燃烧，另一股通过第九换热器30驱动第一SCO₂循环子系统。SOFC可通过调整阴极再循环比例来调整SOFC运行温度。

经过后燃室19燃烧后的高温高压尾气在第二涡轮20处做功，做功后的气体依次通过第五换热器15、第三换热器12、第七换热器25和第八换热器27，其中第七换热器25利用尾气余热驱动第二SCO₂循环子系统。

(三)SCO₂循环子系统

第一SCO₂循环子系统由阴极再循环气体驱动，第九换热器30加热循环工质，并在第四涡轮31处膨胀做功；膨胀完的工质气体通过第十换热器32降温，并在第二冷却器33处进一步降温；进一步降温后的气体在第五压缩机34处被压缩，并通过第十换热器32升温，而后回到第九换热器30完成一个循环。

第二SCO₂循环子系统由SOFC尾气余热驱动，循环工质在第七换热器25处加热，并在第三涡轮21处膨胀做功；膨胀完的工质气体通过第六换热器22降温，并在第一冷却器23处进一步降温；进一步降温后的气体在第三压缩机24处压缩，并通过第六换热器22升温，而后回到第七换热器25完成一个循环。

(四)碳捕集子系统

碳捕集系统采用低温法捕捉液化CO₂，实现了碳捕集与碳储存同步进行。

在碳捕集子系统中，尾气通过第三冷却器35冷却至25℃，此时多数水蒸气冷凝析出，随后通过气液分离塔36，气液分离塔36顶部分离出未冷凝气体，气液分离塔36底部分离出液态水；接着，未冷凝气体在第六压缩机37处压缩，随后通入第二换热器5冷凝成液态高纯度CO₂。第二换热器5利用LNG与空分产物空分后的剩余冷能来液化CO₂，实现了系统冷能的充分利用。

以下给出一个具体的示例进一步介绍本发明的可行性。

系统初始条件如表1所示，系统模拟结果如表2所示。

表1系统初始条件

表2系统模拟结果

由表2可知，本发明在表1的系统初始条件下，可实现55.92％的系统净发电效率与6730kW的系统净发电量，同时本发明可实现15mol/s的CO₂捕集速率，实现了系统的零碳排放运行。若按照系统每年运行6000小时计算，则一年可减少CO₂排放22963吨。

综上，本发明实现了船舶高效零排运行，为LNG动力船绿色高效发展提供了一种切实可行的方案。

Claims (9)

1.零碳排放的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，其特征在于，包括：

空气分离制氧子系统，用于以LNG与空分产物作为冷源进行低温空气分离，空分产物包括高纯度液氧和氮气；

SOFC/GT混合动力子系统，包括SOFC（17）和第二涡轮（20），SOFC（17）阳极送入LNG气体，SOFC（17）阴极送入富氧气体，SOFC（17）阳极出口气体送入后燃室（19），阴极出口气体一部分送入后燃室（19），另一部分作为阴极再循环气体；后燃室（19）内燃烧后的高温高压气体在第二涡轮（20）做功后形成SOFC尾气，SOFC尾气用于加热送入SOFC（17）阳极的LNG气体；

碳捕集子系统，设置在SOFC尾气通路末端，用于分离SOFC尾气中的H₂O，并进一步利用LNG与空分产物的冷量，使尾气中的CO₂液化，高纯度液氧和LNG经碳捕集子系统后，分别形成供给SOFC（17）的富氧气体和LNG气体；以及，

第一SCO₂循环子系统，由阴极再循环气体驱动，排出第一SCO₂循环子系统的阴极再循环气体与送入SOFC（17）阴极的富氧气体混合；SOFC（17）通过调整阴极再循环比例来调整SOFC运行温度；

空气分离制氧子系统包括第一涡轮（8）、第二精馏塔（9），以及依次相连的空气分离膜（1）、真空泵（2）、第一压缩机（3）、第一换热器（4）、泵作透平（6）和第一精馏塔（7）；空气经空气分离膜（1）提纯为富氧空气，真空泵（2）用于提供气体扩散驱动力，随后被第一压缩机（3）压缩，并在第一换热器（4）冷却液化，通过泵作透平（6）降压后进入第一精馏塔（7）初步精馏，分离出的高纯度氮气用于在第一涡轮（8）做功，分离出的富氧液体导入第二精馏塔（9）进一步精馏；从第二精馏塔（9）分离出的高纯度氮气与做功后的高纯度氮气汇合，从第二精馏塔（9）分离出的高纯度液氧、汇合的高纯度氮气以及LNG用作第一换热器（4）冷源液化富氧空气。

2.根据权利要求1所述的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，其特征在于，SOFC/GT混合动力子系统还包括水泵（26）、第八换热器（27）、第四压缩机（28），以及依次相连的第二压缩机（11）、第三换热器（12）、第四换热器（14）、第五换热器（15）和重整室（16）；经碳捕集子系统后形成的LNG气体经第二压缩机（11）压缩后，通过第三换热器（12）加热，然后与水泵（26）加压、第八换热器（27）加热气化形成的水蒸气混合，混合气体依次在第四换热器（14）和第五换热器（15）被加热后送入重整室（16），生成富氢重整气；富氢重整气送入第四换热器（14）作为热源，而后送入SOFC（17）阳极；SOFC尾气作为热源依次通过第五换热器（15）、第三换热器（12）和第八换热器（27）；经碳捕集子系统后形成的富氧气体经第四压缩机（28）压缩后，与排出第一SCO₂循环子系统的阴极再循环气体混合，送入SOFC（17）阴极。

3.根据权利要求2所述的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，其特征在于，重整室（16）设置于后燃室（19）内部，由后燃室（19）供给重整室（16）运行所需的热量。

4.根据权利要求2所述的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，其特征在于，还包括第二SCO₂循环子系统，设置在碳捕集子系统前，由SOFC尾气驱动。

5.根据权利要求4所述的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，其特征在于，第二SCO₂循环子系统包括第三涡轮（21）、第六换热器（22）、第一冷却器（23）、第三压缩机（24）和第七换热器（25）；SOFC尾气依次通过第三换热器（12）、第七换热器（25）和第八换热器（27）；SOFC尾气在第七换热器（25）加热循环工质，而后循环工质在第三涡轮（21）膨胀做功，膨胀完的循环工质通过第六换热器（22）降温，并在第一冷却器（23）进一步降温；进一步降温后的循环工质在第三压缩机（24）被压缩，并通过第六换热器（22）升温，而后回到第七换热器（25）完成一个循环。

6.根据权利要求1所述的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，其特征在于，第一SCO₂循环子系统包括第九换热器（30）、第四涡轮（31）、第十换热器（32）、第二冷却器（33）和第五压缩机（34）；阴极再循环气体在第九换热器（30）加热循环工质，而后循环工质在第四涡轮（31）膨胀做功；膨胀完的循环工质通过第十换热器（32）降温，并在第二冷却器（33）进一步地降温；进一步降温后的循环工质在第五压缩机（34）被压缩，并通过第十换热器（32）升温，而后回到第九换热器（30）完成一个循环。

7.根据权利要求1所述的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，其特征在于，碳捕集子系统包括第二换热器（5）、第三冷却器（35）、水汽分离塔（36）和第六压缩机（37）；SOFC尾气经第三冷却器（35）冷却后，在水汽分离塔（36）分离出H₂O和未冷凝气体，未冷凝气体经第六压缩机（37）压缩后，通入第二换热器（5）冷凝成高纯液体CO₂；第二换热器（5）冷源为空气分离制氧子系统排出的LNG与空分产物。

8.根据权利要求5、6或7所述的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，其特征在于，冷却器采用海水作为冷源。

9.根据权利要求5、6或7所述的船舶SOFC/GT/SCO₂混合动力系统，其特征在于，SCO₂循环子系统和碳捕集子系统中的压缩机采用多级压缩级间冷却工艺。